第六章 按频率自动减负荷装置

第六章按频率自动减负荷装置内容提要：电力系统低频运行的危害自动低频减负荷装置的作用电力系统的频率特性自动低频减负荷装置的工作原理自动低频减负荷装置配置及其防止误动作措施教学目的：认识电力系统低频运行的危害和装设按频率自动减负荷装置的作用，弄清电力系统静态频率特性和动态频率特性，掌握按频率自动减负荷装置的工作原理。熟悉防止按频率自动减负荷装置误动作的措施。第一节电力系统的频率特性一、电力系统频率控制的必要性（一）频率偏低对电力用户的影响①引起异步电动机转速及所驱动的机械转速变化，影响生产率以及产品质量。②影响国防中测量和控制用的电子设备的准确性和性能。③使异步电动机转速和输出功率降低，所带机械转速和出力降低。①频率下降,汽轮机叶片受损。45Hz时，叶片共振而断裂。②下降到47~48Hz时,火电厂厂用机械→锅炉和汽轮机→发电机出力下降.导致有功缺额进一步增加，系统频率进一步下降，造成频率崩溃。③核电厂频率降到一定数值，冷却介质泵自动跳开，反应堆停止运行。④频率下降时,使某些励磁系统的励磁电压↓→发电机电势↓→全系统电压水平↓.（二）频率偏低对电力系统的影响系统中：若有功负荷增加：为了保持功率平衡，机组只有把转子的一部分动能转换成电功率，使机组转速降低，系统频率下降。因此，系统频率变化是由于电力系统有功负荷变化引起的。电力系统频率变化的原因系统有功负荷的组成：有功负荷的变化:1－第一种负荷分量；2－第二种负荷分量3－第三种负荷分量4－实际的负荷变化曲线变化幅度很小，变化周期较短（一般为10s以内）的负荷分量；变化幅度较大，变化周期较长（一般为10s～3min）的负荷分量，属于这类的主要有电炉、电气机车等；变化缓慢的持续变动负荷，引起负荷变化的原因主要是工厂的作息制度，人民的生活规律，气象条件的变化等。频率的调整负荷的变化将引起频率的相应变化。第一种变化负荷引起的频率偏移将由发电机组的调速器进行调整。这种调整通常称为频率的一次调整。第二种变化负荷引起的频率变动仅靠调速器的作用往往不能将频率偏移限制在允许的范围之内，这时必须有调频器参与频率调整，这种调整通常称为频率的二次调整。频率异常不同于系统正常运行中的频率波动。频率异常是系统发生事故时，由于突然造成的有功功率严重不平衡引起的频率大幅度剧烈变化。导致有功功率平衡关系突变的直接原因有：（1）两个系统间联络线因故障跳开。（2）系统内有大机组突然故障退出运行，而旋转备用不足。（3）系统内有大机组突然投入。常规频率异常控制装置：1.低频减负荷装置2.低频降低电压装置3.低频自起动发电机装置4.低频调相改发电装置5.低频抽水改发电装置6.高频切机装置7.高频减出力装置运行实践证明，电力系统的频率不能长期维持在(49.5～49)Hz以下，事故情况下不能较长时间停留在47Hz以下，绝对不允许低于45Hz。因此，当电力系统出现严重的有功功率缺额时，应当迅速切除一些不重要的负荷以制止频率下降，保证系统安全稳定运行和电能质量，防止事故扩大，保证重要负荷的供电。因此，在电力系统中常常设置按频率自动减负荷装置(简称AFL装置)，或称低频减载装置。二、电力系统有功功率控制的必要性（一）维持电力系统频率在允许范围内有功平衡时，运行在额定频率fN。负荷变化时，“等于”关系破坏，偏离fN。及时调节原动机的输入功率，维持“等于”关系，保证fN。（二）提高电力系统运行的经济性电力系统经济调度问题：①开启哪些机组并入电力系统运行;(是经济组合问题)②确定已并网运行的机组各发多少有功功率.(是有功负荷的经济分配问题).经济调度需考虑机组效率、各种发电机组的协调、系统网损等问题,目的是提高电力系统运行的经济性,用最少的一次能源消耗获得最多的可用电能。（三）保证联合电力系统的协调运行几个区域电力系统组成的联合电力系统。有的实行分区域控制，要求区域系统间的电功率和电量按事先约定的协议进行。有功功率控制要对不同区域系统间联络线上通过的功率和电量进行控制。负荷的静态频率特性是指负荷功率随频率而改变的特性。即PL=F(f)系统中各种有功负荷与频率的关系，可以归纳为以下几类：（1）与频率变化无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉等。（2）与频率成正比的负荷，如切削机床、卷扬机等。（3）与频率的二次方成比例的负荷。如变压器中的涡流损耗。（4）与频率的三次方成比例的负荷。如通风机、静水头阻力不大的循环水泵等。（5）与频率的更高次方成比例的负荷。如静水头阻力很大的给水泵等。三、电力系统负荷的静态频率特性负荷的功率—频率特性一般可表示为：用标幺值表示，并取额定频率时的负荷功率PLN为功率PL的基准值，额定频率fN为频率f的基准值,则有显然，当系统的频率为额定值时，f*=1，PL*=1，于是：当频率下降时，负荷从系统中取用的功率将下降；系统频率升高时,负荷从系统中取用的功率将增加。这种现象电力系统负荷的频率调节效应,简称负荷调节效应,并用负荷的频率调节效应系数来衡量负荷调节效应的大小。图6-1电力系统负荷的静态频率特性PLPLN0f

Nf电力系统负荷的静态频率特性曲线如图6-1所示：f2f

1PL1PL2定义为：KL、KL*－分别表示用有名值和标幺值表示的负荷频率调节效应系数。电力系统负荷的静态频率特性PLPLN0f

Nf根据国内外一些实测,负荷的静态频率特性曲线在额定值附近接近于一条直线，即：有名值和标幺值之间的关系：电力系统负荷的静态频率特性PLN0fNfPLα可近似认为f*＝1，则写为：

KL*=a1+2a2+3a3+…+nan（★）KL表示频率每升高（降低）1Hz时系统负荷增加（减少）的值（MW)。KL*表示系统频率变化1％时负荷功率变化的百分数。

KL*是一个无量纲的数,KL*是调度部门要掌握的数据，在实际系统中，需要经过测试求得，也可根据负荷统计资料分析估算确定。

对同一个系统,KL*随季节及昼夜交替而变化，但差别不大，因此对一个系统而言可近似认为KL*是不变的，一般负荷调节效应系数在1～3之间

。KL与负荷的大小有关，调度部门只要掌握KL*的值,就很容易算出KL的值，从而得到频率偏移量与功率调节量之间的关系。[例]某电力系统中,与频率无关的负荷占30％,与频率一次方成正比的负荷占40％,与频率二次方成正比的负荷占10％,与频率三次方成正比的负荷占20％。求系统频率由50Hz下降到46Hz时,负荷功率变化的百分数及负荷调节效应系数KL*。解（1）频率降为46Hz时,f*＝46/50=0.92,则由公式得系统负荷为：

PL*=a0+a1f*+a2f*2+…+anf*n=0.3+0.4×0.92+0.1×0.922+0.2×0.923=0.909所以负荷变化的标幺值ΔPL*=1-0.909=0.091用百分值表示ΔPL%=0.091×100＝9.1KL*=ΔPL%／Δf%=9.1／8=1.1375（2）频率偏差的标幺值Δf*＝1－0.92＝0.08则负荷调节效应系数由公式计算得KL*=ΔPL*/Δf*=0.091/0.08=1.1375由式KL*=a1+2a2+3a3+…+nan

(近似认为f*＝1)计算得：KL*=a1+2a2+3a3+…+nan=0.4+2×0.1+3×0.2=1.2可见由两种方法求得的负荷调节效应系数相差是很小的,误差仅为2％左右。由于负荷调节效应的存在，当电力系统因有功功率不平衡引起频率变化时，负荷自动改变消耗的有功功率，对系统有一定的补偿作用，使系统可以稳定运行在一个新的频率。但是，负荷的频率调节效应毕竟是有限的，当电力系统出现较大的有功功率缺额时，如果仅仅依靠负荷的频率调节效应来补偿，系统频率将会降低到不允许程度，从而破坏系统的安全稳定运行。在这种情况下，必须借助按频率自动减负荷装置（简称AFL装置）来切除一部分不重要的负荷，才能保证系统的安全稳定运行。四、电力系统的动态频率特性

电力系统由于有功功率平衡遭到破坏引起系统频率发生变化时，频率从额定值过渡到另一个稳定值所经历的动态过程，称为电力系统的动态频率特性。如图所示，系统频率变化不是瞬间完成的，而是按指数规律变化的。第二节按频率自动减负荷装置的工作原理当系统出现严重的有功功率缺额时，AFL装置的任务是迅速断开相应数量的用户负荷，使系统频率在不低于某一允许值的情况下，达到有功功率的平衡，以确保电力系统安全运行，防止事故的扩大，并保证重要负荷供电。自动低频减负荷装置的工作原理自动低频减载BECDA最大功率缺额的确定装置的动作顺序频率级差的选择后备级的考虑每级切除负荷量限制不切除负荷的情况下系统频率的稳定值:正常运行的电力系统，频率为额定频率fN，总负荷为PLN，当出现有功功率缺额ΔPL时，若仅靠负荷调节效应来调节，则系统频率稳定在低频f∞通过AFL装置切除一部分负荷Pcut后，系统稳定频率为：一、最大功率缺额ΔPL.max的确定AFL装置应能保证即使在系统发生最严重的事故情况下，即出现最大可能的功率缺额时，接至AFL装置的用户功率数量也能使系统频率恢复在可运行的水平，以避免系统事故的扩大。确定系统事故情况下的最大可能功率缺额ΔPL.max后，只要系统恢复频率fr确定，就可求得接到AFL装置的功率总数Pcut.max。接到AFL装置最大可能的断开功率Pcut.max可以小于最大功率缺额ΔPL.max。

【例】某系统的负荷总功率为PLN＝5000MW，设想系统最大的功率缺额ΔPL.max为1200MW，设负荷调节效应系数为KL*=2，AFL装置动作后，希望系统恢复频率为fr=48Hz，求接入AFL装置的功率总数Pcut.max。解希望恢复频率偏差的标么值为：由上述公式得：

接入AFL装置的功率总数为870MW，这样，即使发生如设想那样的严重事故，仍然能使系统频率恢复值不低于48Hz。二、AFL装置的动作顺序在电力系统发生事故的情况下，被迫采取断开部分负荷的办法以确保系统的安全运行，这对于被切除的用户来说，无疑会造成不少困难，因此，应力求尽可能少地断开负荷。AFL装置为什么要分级动作？接于AFL装置的总功率是按系统最严重事故的情况来考虑的。然而，系统的运行方式很多，而且事故的严重程度也有很大差别，对于各种可能发生的事故，都要求AFL装置能作出恰当的反应，切除相应数量的负荷功率，既不过多又不能不足，只有分批断开负荷功率采用逐步修正的办法，才能取得较为满意的结果。如何实现分级动作？AFL装置是在电力系统发生事故时，在系统频率下降过程中，按照频率的不同数值按顺序地切除负荷。也就是将接至AFL装置的总功率Pcut.max按负荷重要程度的不同进行分级，并分别分配在不同启动频率值来分批地切除，以适应不同功率缺额的需要。根据启动频率的不同，按频率自动减负荷可分为若干级，也称为若干轮。为了确定AFL装置的级数，首先应定出装置的动作频率范围，即选定第一级启动频率f1和最末一级启动频率fn的数值。1.第一级启动频率f1的选择由系统频率动态特性曲线的规律可知，在事故初期如能及早切除部分负荷功率，可延缓频率的下降过程。因此，从AFL装置的动作效果来看，第一级的启动频率f1宜选择的高些，但是f1整定的过高，暂时频率下降容易引起AFL装置误动作，影响用户用电的可靠性，同时也未充分利用系统的旋转备用容量。所以，一般第一级的启动频率整定在48.5～49Hz。在以水电厂为主的电力系统中，由于水轮机调速系统动作较慢，因而第一级启动频率宜取低值。2.末级启动频率fn的选择电力系统允许的最低频率受安全运行的限制，以及可能发生“频率崩溃”或“电压崩溃”的限制。对于高温高压参数的火电厂，在频率低于46～46.5Hz时，厂用设备已不能正常工作，在频率低于45时，就有“电压崩溃”的危险，因此末级的启动频率fn以不低于46～46.5Hz为宜。3.频率级差Δf当f1和fn确定以后，就可在该频率范围内按频率级差Δf分成n级断开负荷，即

级数越大，每级断开的负荷就越小，这样，装置所切除的负荷量就越有可能接近于实际功率缺额，具有较好的适应性。关于频率级差的选择问题，有两种不同的原则：（1）按选择性确定级差强调各级动作的次序，要在前一级动作以后还不能制止频率下降的情况下，后一级才动作。（2）级差不强调选择性AFL装置应遵循逐步试探求解的原则，分多级切除少量负荷，以达到较佳的控制效果。这就要求减小级差Δf，增加总的频率动作级数n，相应地减少每级的切除功率，这样即使两轮无选择性启动，切除的负荷功率不会过多，系统恢复频率也不会过高。

三、每级切除负荷Pcut.i的限值为确定各级的最优切除负荷量，按临界情况考虑：第（i-1）级动作切除负荷后，系统的稳态频率正好是第i级的启动频率；而当第i级动作切除负荷功率Pcut.i后，系统频率稳定在第（i+1）级的动作频率；最末一级的启动频率是fn，切除负荷功率Pcut.n后，系统频率稳定在fres，依次推理计算出Pcut.i。

四、AFL装置的后备级（附加级、特殊级）在AFL装置的动作过程中，当第i级动作切除负荷后，如果系统频率继续下降，则下面各级会相继动作直到频率下降被制止为止。如果出现了这样的情况：第i级动作后，系统频率可能稳定在fi，它低于恢复频率的极限值fres.min，但又不足以使下一级动作，因此要装设后备级，经延时，再切除部分负荷功率，以便使频率能恢复到允许的限值以上。这样，我们常把前面介绍的自动按频率减负荷装置的各级称为基本级，而后备级又常被称为特殊级或附加级。后备级的动作频率应不低于基本级第一级的启动频率，它是在系统频率已经比较稳定时动作的，为保证后备级确实是在基本级动作结束后系统频率仍未回升至希望值时才动作，后备级的动作要带较长的延时，最小动作时间约为10～15s，最长的动作时间可到20s。后备级可按时间分为若干级，也就是其启动频率相同，但动作时延不一样，各级时间差可不小于5s，按时间先后次序分批切除用户负荷，以适应功率缺额大小不等的需要。在分批切除负荷的过程中，一旦系统恢复频率高于后备级的返回频率，AFL装置就停止切除负荷。五、AFL装置的配置电力系统中装设AFL装置，应根据电力系统的结构和负荷的分布情况，分散装设在电力系统中相关的发电厂和变电所。图6-3为某一变电所的AFL装置原理框图，f为低频继电器，t为延时元件，KF为跳闸执行回路。它由n个基本级和m个附加级组成，每一级就是一套AFL装置。六、AFL装置误动作的原因及防误措施（1）当系统电压突然变化时，低频继电器触点抖动，可能导致AFL装置误动作。这种误动作只要AFL装置带有0.1～0.2s的延时即可防止。（2）系统中旋转备用起作用之前，AFL装置先行误动作。特别是旋转备用大部分在水轮发电机组上的电力系统，系统中的旋转备用容量发挥作用需要一定的时间，调速机械动作较慢。为了防止这种误动作，措施之一是在AFL装置的前几级带一定的延时；也可在频率恢复到额定值时进行重合闸。（3）负荷反馈引起的误动作。在地区变电所某些操作或在输电线路重合闸期间，负荷与电源会出现短时解列，该地区负荷中的旋转机组，如同步调相机和异步电动机等，动能仍短时反馈输送功率，在母线上产生一个电压，该电压逐渐衰减而频率急剧下降，如果不采取适当的措施，利用母线电压检测频率的AFL装置会错误地判断为系统频率降低而误启动，当该地区变电所很快恢复供电时，用户负荷已被错误地断开了。对于这种情况，在AFL装置中可采取如下措施：1）加电流闭锁。闭锁继电器可接于电源主进线上或变压器上，其触点与低频继电器触点串联，这样，在电源中断时电流继电器不动作，将AFL装置闭锁